1조.
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 지하공동구 내 상수도 설계
영문 : Water supply plan in utility tunnel
과제 팀명
1조
지도교수
김대홍 교수님
개발기간
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 토목공학부·과 2014860039 조우성(팀장)
서울시립대학교 토목공학부·과 2014860012 김주명
서울시립대학교 토목공학부·과 2014860024 손민수
서울시립대학교 토목공학부·과 2014860041 최승규
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
1. 지하시설물의 통합 관리를 위해 공동구 미설치 지역을 대상으로 공동구로 공급하는 방식을 설계 및 적용하여 그 장점 활용을 제안한다.
2. 대상 구역 상수 공급 방식에 있어 기존 공급 방식과 공동구 공급 방식을 비교해본다.
3. 기존 지하 매설 방식의 상수도 관로 관리 방식에서 탈피해 공동구의 장점을 살린 상수도 관로 관리 방식을 제안한다.
개발 과제의 배경
1) 지하시설물의 통합관리 필요성
현재 서울시의 지하는 지하철과 같은 대중교통 시설물뿐만 아니라 상하수도관, 전기선, 통신선, 가스관 등의 사회기반 지하시설물들로 난개발되는 상황에 있다. 이런 시설물들은 현대사회에 필수적이라 시설물에 문제가 발생하면 사회 전반에 걸쳐 문제를 초래한다. 아현동 KT 지사 화재사건으로 다수의 시민이 통신 불편을 겪었고, 문래동의 붉은 수돗물 사건은 시민들의 일상에 불편을 야기했다. 따라서 이런 사회기반 지하시설물들의 안정을 확보하는 것이 시민들의 불편을 최소화하는 수단이다. 그렇기에 시설물들을 공동으로 수용하고 관리하는 지하공동구의 필요성이 높아지고 있다. 또 다른 문제는 시설물들의 관리 주체가 각각 다르다는 것이다. 전기선은 한전, 통신선은 KT, 가스관은 가스공사, 상수도관은 수자원공사 등 시설물을 각기 다른 관리 주체들이 관리하다보니 관리의 효율성이 떨어지고 그로 인한 문제가 제고될 수밖에 없다. 이런 관리 주체가 다른 문제를 해결하고 관리를 효율적으로 하기 위해 지하공동구의 사용은 그 대안이 된다. 신규 지하시설을 설치할 때도 지하공동구는 큰 도움이 된다. GTX 사업과 같은 대규모 지하 토목사업은 주변 지하시설물 사고의 위험성을 동반한다. 지하공동구는 그 위치를 정확히 알 수 있어 이런 위험을 최소화한다.
2) 개별 매설 상수도관의 관리 문제
현재 상수도관은 계획급수량과 계획 연한을 설정한 후 도로 하부 지반을 굴착하여 설치한다. 하지만 이런 방식은 노후 상수도관을 교체하는 데 있어 도로의 재굴착이 필요하므로 유지관리 시 교통 흐름을 일정량 제한해야 한다는 문제가 발생한다. 이로 인해 발생하는 교통 체증은 시민들이 이동 시 불편감을 느끼게 만든다. 반면 지하공동구 내부에 설치한 상수도관은 유지관리에 재굴착 과정 없이 상수도관의 교체가 가능하다는 장점이 있다. 다른 문제점은 개별 매설된 상수도관은 관리가 어렵다는 것이다. 상수도관이 지반에 매몰되어 있어 관리에 별도의 장비가 필요하다. 예시로 현재 서울시의 상수도관 관리에 다점형 상관식 분석 장비를 활용한다. 이 장비의 원리는 제수 밸브나 소화전 등 누수 점 두 곳에 각각 부착한 진동 센서를 이용해 진동음을 검출하여 지하 매설된 상수도의 누수 여부와 누수 지점을 파악하는 것이다. 이 방식을 이용해 누수나 파손 지점을 찾아도 재굴착이 필요하다. 반면 지하공동구 내부에 설치한 상수도관은 엔지니어의 육안을 이용한 관리가 가능하다. 기존의 방식과 비교해 육안 관리의 장점은 누수 확인 시 재굴착 비용의 소모가 없고, 재굴착 기간이 필요 없는 만큼 빠른 대응이 가능하다는 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
우리 조는 지하공동구 내부에 설치한 상수도관의 이점을 활용하기 위해 지하공동구 내부의 상수도관을 직접 설계하는 방향으로 과제를 설정하기로 한다. 상수도관의 설계에 앞서 대상 지역을 설정할 필요가 있다. 대상 지역은 현재 우리 조가 재학 중인 대학교가 위치한 동대문구로 설정하기로 한다. 지하공동구를 동대문구의 특정 도로 하부에 설치하는 것을 구상하고, 그 규모를 예측하기 위해 동대문구의 인구수를 기초로 상수도관의 계획급수량을 설정하기로 한다. 그리고 그 지하공동구의 규모와 상수도관의 규모를 국토교통부가 고시한 각 설계기준에 부합하게 설계하기로 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1) 해외의 지하공동구
◇ 프랑스 파리의 테크니컬 갤러리(Technical gallery)
프랑스 파리 테크니컬 갤러리(Technical gallery)는 지하공동구의 현재 의미와 기능을 가진 최초의 시설이다. 테크니컬 갤러리는 폭 6m, 높이 5m의 대형 터널식 공동구로 1832년 콜레라의 발병으로 하수도망을 정비하는 차원에서 도로 하부에 수도관, 통신케이블, 압축공기관, 교통신호기케이블 등을 설치하였다.
◇ 러시아의 공동 콜렉터(collector)
러시아의 공동구는 공동 콜렉터(collector)라고 하는 개착박스형 조립식 공동구이다. 모스크바, 레닌그라드 등 대도시의 도로와 함께 설치된 공동 콜렉터는 공동구 내부에 통신선, 전력선, 난방, 수도관을 수용하여 구성과 기능 면에서는 다른 국가의 공동구와 차이점이 없지만, 설치방식이 조립식이라는 차이점이 있다.
◇ 일본의 지하공동구
일본의 공동구 중 대부분은 수용시설의 규모가 작아서 전력선, 통신선, 가스관, 난방, 수도관 등 모든 시설을 하나의 공동구 내에 수용한다. 각 시설물을 공동구 내에 수용할 때 시설별 관리자들은 공공 이익을 최대화하는 상호협력을 위해 중앙 통제시스템으로 공동구의 유지관리를 하고 있다. 일본의 공동구 건설은 현장 조건에 따라 개착박스식과 터널식을 유동적으로 적용한다.
- 기술 로드맵
지하공동구는 건설방식에 따라 개착박스식과 터널식으로 구분한다. 개착박스식은 주로 신규 도로 계획이 있는 신도시 개발에 적용해 건설하고 있다. 터널식은 신규 도로 건설이 없어 기존 도심지나 도시재생에 적용 가능하다는 장점이 있지만, 토지보상문제 등 난제가 많아 2019년까지 국내에 적용된 바가 없다. 여의도 개발 당시 건설된 여의도 공동구를 시작으로 국내에서는 주로 신도시와 택지개발지역에 공동구를 설치했다. 2000년도 이후에는 행정중심복합도시, 송도 신도시 등 주로 국가 주도의 개발사업 위주로 공동구를 설치했다. 설치한 공동구의 관리 주체는 공동구가 있는 지역의 자치단체이고, 공동구를 관리하는 기관 대부분은 지방자치단체 산하 공단과 자치단체의 하위 부서로 구성되어 있다. 국내 공동구의 점용시설 현황에 비추어 볼 때, 상수도관은 국내 공동구 건설에 있어 유의미한 비중을 차지하고 있다.
2) 서울시의 지하시설물 통합관리 계획
서울시는 각 기관에서 관리하던 지하시설물을 통합 관리하기 위한 ‘지하시설물 통합관리 계획’을 발표했다. 2020년 내 4차 산업혁명과 관련된 기술을 적용해 기존 관리체계의 단점을 보완하는 것도 주요 골자지만, 지하시설물을 한 데 묶어 관리할 수 있는 공동구에도 그 초점이 맞춰져 있다. ‘서울 공동구 기본계획’을 2020년 내 수립해 기존 도심에 설치할 공동구에 대한 구체적인 계획을 마련한다. 그리고 그를 기초로 전력, 통신, 상수도를 공동 수용하는 ’소형 공동구‘ 설치 방안을 검토해 도심에 적용할 수 있는 공동구 모델을 만들 예정이다. 또한, 설치된 소형 공동구에 적용할 ’지하개발 안전 가이드라인‘을 마련해 체계적으로 지하시설물의 관리를 수행해나갈 토대를 마련한다. 그리고 4차 산업혁명 기술을 응용한 지능형 궤도주행 로봇을 은평 공동구에 설치해 운영함으로 24시간 순찰할 수 있도록 한다. 이를 이용해 공동구와 그 내부시설 관리가 한층 더 수월해질 것이라 예상한다.
개발과제의 기대효과
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
1) 지하 매설 상수도관과 지하공동구 내 상수도관의 유지관리 측면 사회성 비교 및 기대 효과
지하 매설 상수도관의 유지 보수를 위한 반복굴착은 건설장비와 자재운반 및 처리로 인한 환경오염을 발생한다. 반면에 지하공동구 내 상수도관의 유지 보수에 반복굴착은 필요가 없다. 따라서 초기설치 이후에는 이러한 환경오염의 발생을 최소화한다. 또한, 반복굴착 시 도로교통을 제한하게 되므로 이로 인해 도로이용자들은 불편을 겪게 된다. 굴착 규모에 따라 짧게는 수 시간을 소요하지만, 공사 기간 지역 도로이용자들은 우회도로 이용에 의한 시간 손실을 겪거나 도로의 협소화로 인한 교통체증을 겪는다. 이러한 사회적 불편감은 도로이용자에 국한되는 것이 아니다. 굴착 공사의 소음으로 인한 피해도 발생한다. 소음 공해는 주변 지역 사람들의 일상생활 품질을 저해하고 업무에 불편을 초래한다. 지하공동구 내에 상수도관을 설치하면 이런 사회적 불편감을 최소화하는 것이 가능하다.
2) 지하 공간 효율적 사용에 따른 사회적 영향
지하 공간의 무분별한 사용은 대규모 지하 토목공사를 행함에 있어 공사 기간의 장기화, 시설물 훼손으로 인한 불편 초래 등 다양한 문제를 불러일으킨다. 지하공동구로 지하시설물을 관리하면 대규모 지하 토목공사 계획을 수립하는 데 있어 지하시설물의 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있다. 그로써 적합한 토목공사를 계획할 수 있고, 공사 기간의 단축으로 공사비의 감축이 가능해진다. 그리고 이는 곧 세금의 효율적 사용으로 이어져 다른 분야에 세금 사용으로 인한 사회적 편익을 기대해 볼 수 있다. 지하공동구의 외벽이 지하시설물을 보호하고 있으므로 지하 공사로 인해 지하시설물이 훼손되어 사회적 불편을 초래하게 되는 문제도 최소화할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
3~4월: 자료수집 4~5월: 자문 5~6월: 모델링 5~6월: 제작
구성원 및 추진체계
◇ 참고 문헌 및 관련 논문 자료의 수집은 담당자인 김주명의 주도하에 진행 ◇ 교수님께 개발과정 내 전문지식에 대한 자문 요청은 담당자인 손민수의 주도하에 진행 ◇ 컴퓨터 프로그램을 사용한 모델링은 담당자인 최승규의 주도하에 진행 ◇ 모델링에 기초한 축소 모형의 제작은 담당자인 조우성의 주도하에 진행
설계
설계사양
개념설계안
우리 팀이 본 과제를 수행함에 있어 중점을 둔 것은 공동구의 설치 제안과 내부 상수도 관로의 설계다. 앞서 ‘개념설계 보고서’에서 수행한 과정에 대해 간략히 언급하자면, 서울특별시 동대문구 전농 1동(이하 전농 1동)을 대상으로 계획급수량을 산정하고, 내부 관경을 산정했다. 그를 토대로 공동구 설계기준에 맞춰 실현 가능한 Prototype을 제작하였다. 이 Prototype 설계 경험을 토대로 더욱 상세한 계획급수량 산정, 관의 두께, 재질 등의 선정을 수행하고, 실제 모형으로 보여줄 공동구와 상수도 관로에 대한 상세 설계를 진행하도록 한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 계획급수량 산정
1) 계획 급수인구 계산
계획 급수인구를 결정하는 데 있어 대상 지역의 인구 추이를 가늠하는 것은 중요하다. 이런 인구 추이에는 인구 통계를 반영한 기존 방식뿐만 아니라 그 지역의 발전 특이성을 파악해야 한다. 따라서 우리 팀은 대상 지역의 특성을 파악해 인구 추이를 판단하고, 이를 반영해 계획 급수인구를 계산하기로 한다.
▶ 대상 지역 분류: 대도시(서울특별시) ▶ 대상 지역 특이점 분석 대도시라는 특성을 고려, 발전이 느린 도시라고 판단하여 등차급수 방법을 이용한다. 여기에 재개발 지역(청량리 재개발 4구역)이 포함되어 있다는 점과 GTX가 개통한다는 점을 고려해 가중치를 결정하기로 한다. 지역 특수성 고려를 위해 가중치 산정에 사용할 자료는 서울특별시 내부 지역 통계로 제한한다. 재개발에 의한 가중치는 재개발 완료년도부터 이후 5년간 인구 추이에 기초해 적용한다. 신설노선으로 인한 가중치는 노선이 새로 개통한 지역의 인구 추이에 기초한다.
# 01. 등차급수 방법
여기서, : n년 후의 추정인구 : 현재인구 : 현재부터 계획년도까지의 경과년수 : 연평균 인구증가수(= ) : 현재부터 t년 전의 인구
10년(2010~2020)간 대상 급수구역의 인구 증가량: 2,496명 현재(2020년) 대상 급수구역 인구수: 30,587명 계획년도(20년) 후 대상 급수구역 인구 예상: 35,579명
# 02. 대상 구역 특이점 가중치 적용
표 1. 재개발 지역 인구 추이
위 <표 1>를 보면, 서울특별시 내에서 현재 전농 1동과 유사한 부분적 재개발을 완료한 지역의 인구 추이는 감소하는 경향을 가진다. 이는 서울특별시가 이미 충분히 발전된 도시라는 점에서 재개발이 주거환경 개선의 성격이 강하고, 서울특별시 인구수 증가 추세가 정체중이기 때문이라고 해석한다. 따라서 안전측 설계를 위해 가중치를 적용하지 않고 진행하도록 한다.
표 2. 신설노선 지역 인구 추이(2019)
위 <표 2>를 보면, 서울특별시 내 신설노선으로 인한 인구 추이 또한 재개발 완료 지역 인구 추이와 유사하게 감소하는 경향을 보인다. 따라서 안전측 설계를 위해 가중치를 적용하지 않고 진행하기로 한다.
2) 계획급수량 산정
표 3. 서울시 상수도 급수 현황표
▶ 서울시의 1일 1인당 급수량: 303.8L(2015~2019년 통계의 평균값)
▶ 계획 1일 최대급수량: 약 14051.6
# 03. 계획 1일 최대급수량 산정식
계획 1일 최대급수량 = 계획 1인 1일 평균급수량 x 계획 급수인구 x 1.3(대도시)
▶ 계획 시간 최대급수량: 약 761.1
# 04. 계획 시간 최대급수량 산정식
계획 시간 최대급수량 = 계획 1일 최대급수량 x 1.3(대도시) / 24
나. 내부 관경 설정
1) Reynolds Number
# 05. Reynolds Number
여기서, : 평균유속 : 내부 관경 : 동점성계수(3.98 물이라 가정)
▶ 동점성계수 를 알기 위해 점성계수 를 구한다. 물이 표준대기압 하에 있고, 수온 가 3.98라고 가정한다.
# 06. 동점성계수 및 Reynolds Number 계산
2) 마찰손실계수
▶ Chezy공식과 Manning공식을 이용하여 관 마찰손실계수를 구한다. 이때, 관의 재질이 주철관이므로 n=0.012이다.
# 07. 마찰손실계수 계산
3) 동수경사
▶ 관수로이므로 마찰손실수두만 고려하고 미소손실수두는 고려하지 않는다.
# 08. 마찰손실수두 계산
# 09. 동수경사 계산
4) Hazen-Williams
# 10. Hazen-Williams
여기서, : 평균유속(m/s) : 평균유속계수(주철관 및 강관=110) : 동수반경(m) : 동수경사
,
5) 상수도관로의 내부 관경
▶ 계획시간 최대 급수량은 761.1 이므로 유량 는 761.1/3600s=0.211417이다. 유량 를 # 10.에 대입해 내부 관경 를 유속 에 관한 식으로 바꾸고, 유속 에 대한 방정식을 풀어 유속 와 내부 관경 를 구한다.
상세설계 내용
1) 내부 통로 폭 설정
▶ 설계 기준: 내부 통로의 최소폭은 1,000mm 이상 ▶ 실제 설계: 1,000mm
그림 11. 상수도관로 받침대 및 여유 거리 기준
2) 상수도관로 받침대 및 여유 거리 설정
▶ 기준에 따르면 상수도관로와 그 받침대가 만나는 호의 내부각 이다. 계산으로 구한 외부 관경 D가 429mm이므로, 외부 관경 D가 400mm 이상, 800mm 미만일 경우의 기준을 따르기로 한다.
# 12. 상수도관로 받침대와 여유거리 계산
상수도관로 받침대의 폭 A: A=D+300=729mm 상수도관로 받침대의 높이 : =500mm 상수도관로 좌우 여유 거리 W: W=500mm 상수도관로 상단과 천장의 여유 거리 S: S=800mm 하지만 유지보수의 편의를 위하여 공동구 내부 높이를 2,100mm 이상 확보해야 하므로
3) 통신선 및 전력선 설치 및 수평지지대 높이 설정
▶ 전력선은 각 규격별로 공동구 설계기준에 준하여 배치하기로 한다. ▶ 수평 지지대의 길이 규격: 송전 케이블, 550mm ▶ 바닥과 수평 지지대 간 간격: 345kV급 케이블 기준, 400mm ▶ 수평 지지대의 상하 간 간격: 345kV급 케이블 550mm, 154kV급 케이블 400mm, 22.9kV급 케이블 250mm
4) 공동구의 콘크리트 두께 및 철근 배근
▶ 공동구의 콘크리트 두께와 철근 배근을 결정하기 위해서는 구조적 설계가 필요하다. 우리 팀은 상수도관로 설계에 집중하므로 대략적 치수를 기입해 진행하도록 한다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
설계한 수치와 내용을 바탕으로 실제 캐드프로그램을 이용하여 지하공동구 단면도를 제작하고 모형을 제작하였다. 설계도면과 모형은 상수도관은 물론 통신선과 전력선을 함께 수용하는 공동구 형태이다.
향후계획
1) 24시간 드론 관리
국토교통부는 2013∼2017년 5년간 전국에서 4580건의 싱크홀이 발생하였으며, 이 중 80%는 상하수도 누수와 주변 공사가 그 원인이라고 발표했다. 상수도 관로의 누수는 싱크홀로 이어질 수 있으므로, 이를 예방하고 조기 발견하는 것은 중요하다. 그러나 기존 상수도 관로는 지하 개별 매설 방식이라 누수의 탐지에 비용과 시간을 많이 소모하고 정확한 누수 위치를 발견하는 데 한계가 있다. 반면 지하공동구 내 상수도관은 육안으로 확인이 가능하므로 누수를 조기에 발견하거나 예방할 수 있다. 이를 활용해 서울특별시 은평구 공동구에서는 24시간 감시 레일로봇을 도입하여 공동구를 관리하고 있다. 우리 팀은 레일로봇에서 영감을 얻어 육안관리가 가능한 공동구의 장점을 극대화할 수 있는 24시간 자동화 드론을 제안한다. 기존 공동구의 CCTV 관리 방식은 고정형이라는 특징 때문에 사각지대가 존재했다. 또한 레일로봇도 가동범위가 레일로 한정되어 있어 사각지대가 존재한다. 하지만 드론은 능동적으로 움직일 수 있어 원한다면 상수도 관로를 다양한 각도로 촬영 가능하다. 드론이 주기적으로 공동구 내부를 돌아다니게 해 지하공동구 내부시설물을 24시간 내내 촬영하게 할 수 있다. 이 기술을 도입하면 시간의 경과에 따라 데이터를 축적하고, 이 빅데이터를 이용해 엔지니어가 촬영한 영상을 보고 있지 않더라도 드론이 이상 징후를 조기 발견해 엔지니어에게 이를 알리는 시스템을 구축할 수 있다.
2) 터널식 공동구
개착박스식 공동구는 도로를 재굴착해 설치해야 한다는 단점이 있다. 이는 도심지에서 교통흐름을 방해해 경제성 분석에서 언급한 도로이용자비용을 크게 하고, 사회적으로도 재굴착에 따른 환경오염과 통행자들의 불편을 초래한다. 이를 극복하기 위해 우리나라에 아직 많이 적용되지 않은 터널식 공동구를 설계 및 시공하는 것이 필요하다. 터널식이 개착박스식에 비해 초기 공사비용이 크지만, 환경오염 비용이 60% 정도 적게 발생하고 재굴착이 없어 차량이 많은 지역에 설치하기 적합하다. 또한 주변 구조물에 대한 영향이 적어 도심지에 설치하기 알맞다는 장점도 있다. 따라서 환경의 중요성이 부각되고 도심지 소단면 공동구의 필요성이 증가한 현 시점의 요구에 부응하기 위해 적극적으로 터널식 공동구의 설계기준 마련 및 시공 활성화를 제안한다.
